ВИДЫ И ФОРМЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ В ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ

Глава 2

Количество и качество информации

УРОВНИ ПРОБЛЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

При реализации информационных процессов всегда происходит перенос информации в пространстве и времени от источника ин­формации к приемнику (получателю). При этом для передачи ин­формации используют различные знаки или символы, например естественного или искусственного (формального) языка, позволя­ющие выразить ее в некоторой форме, называемой сообщением.

Сообщение — форма представления информации в виде со­вокупности знаков (символов), используемая для передачи.

Сообщение как совокупность знаков с точки зрения семиотики (от греч. semeion — знак, признак) — науки, занимающейся иссле­дованием свойств знаков и знаковых систем, — может изучаться на трех уровнях [8]:

1) синтаксическом, где рассматриваются внутренние свойства сообщений, т. е. отношения между знаками, отражающие структуру данной знаковой системы. Внешние свойства изу­чают на семантическом и прагматическом уровнях;

2) семантическом, где анализируются отношения между знака­ми и обозначаемыми ими предметами, действиями, качест­вами, т. е. смысловое содержание сообщения, его отношение к источнику информации;

3) прагматическом, где рассматриваются отношения между со­общением и получателем, т. е. потребительское содержание сообщения, его отношение к получателю.

Таким образом, учитывая определенную взаимосвязь проблем передачи информации с уровнями изучения знаковых систем, их разделяют на три уровня: синтаксический, семантический и праг­матический.

Проблемы синтаксического уровнякасаются создания теоре­тических основ построения информационных систем, основные показатели функционирования которых были бы близки к предель­но возможным, а также совершенствования существующих систем с целью повышения эффективности их использования. Это чисто технические проблемы совершенствования методов передачи со­общений и их материальных носителей — сигналов. На этом уров­не рассматривают проблемы доставки получателю сообщений как совокупности знаков, учитывая при этом тип носителя и способ представления информации, скорость передачи и обработки, раз­меры кодов представления информации, надежность и точность преобразования этих кодов и т. п., полностью абстрагируясь от смыслового содержания сообщений и их целевого предназначения. На этом уровне информацию, рассматриваемую только с синтак­сических позиций, обычно называют данными, так как смысловая сторона при этом не имеет значения.

Современная теория информации исследует в основном пробле­мы именно этого уровня. Она опирается на понятие «количество информации», являющееся мерой частоты употребления знаков, которая никак не отражает ни смысла, ни важности передаваемых сообщений. В связи с этим иногда говорят, что современная теория информации находится на синтаксическом уровне.

Проблемы семантического уровнясвязаны с формализацией и учетом смысла передаваемой информации, определения степени соответствия образа объекта и самого объекта. На данном уровне анализируются те сведения, которые отражает информация, рас­сматриваются смысловые связи, формируются понятия и представ­ления, выявляется смысл, содержание информации, осуществля­ется ее обобщение.

Проблемы этого уровня чрезвычайно сложны, так как смысло­вое содержание информации больше зависит от получателя, чем от семантики сообщения, представленного на каком-либо языке.

На прагматическом уровне интересуют последствия от получе­ния и использования данной информации потребителем. Пробле­мы этого уровня связаны с определением ценности и полезности использования информации при выработке потребителем решения для достижения своей цели. Основная сложность здесь состоит в том, что ценность, полезность информации может быть совершен­но различной для различных получателей и, кроме того, она зави­сит от ряда факторов, таких, например, как своевременность ее до­ставки и использования. Высокие требования в отношении скорости доставки информации часто диктуются тем, что управляющие воз­действия должны осуществляться в реальном масштабе времени, т. е. со скоростью изменения состояния управляемых объектов или процессов. Задержки в доставке или использовании информации могут иметь катастрофические последствия.

МЕРЫ ИНФОРМАЦИИ

Для каждого из рассмотренных выше уровней проблем переда­чи информации существуют свои подходы к измерению количества информации и свои меры информации. Различают соответственно меры информации синтаксического уровня, семантического уров­ня и прагматического уровня.

КАЧЕСТВО ИНФОРМАЦИИ

Эффективность применения и качество функционирования :юбых систем в значительной степени определяется качеством информации, на основе которой принимаются управляющие решения. Составляющие качества информации отражены на рис. 2.3.

Качество информации — совокупность свойств информа­ции, характеризующих степень ее соответствия потребностям (целям, ценностям) пользователей (средств автоматизации, пер­сонала и др.).

Выделяют внутреннее качество — содержательность (присущее собственно информации и сохраняющееся при ее переносе в другую систему) и внешнее — защищенность (присущее информации, нахо­дящейся или используемой только в определенной системе) [16].

Рис. 2.3. Составляющие качества информации

Содержательность информации— совокупность сведений о кон­кретном объекте (системе) или процессе, содержащаяся в сообще­ниях и воспринимаемая получателем. Содержательность отражает семантическую емкость информации в информационных массивах (ИМ) (массивах данных, массивах программ, сообщениях, фактах). Содержательная информация используется, как правило, для выра­ботки и принятия управляющего воздействия.

Содержательность информации определяется такими свойства­ми, как значимость и кумулятивность.

Значимость информации— свойство информации сохранять ценность для потребителя с течением времени, т. е. не подвергаться моральному старению.

Составляющими значимости являются полнота и идентичность.

Полнота информации — свойство содержательной информации, характеризуемое мерой ее достаточности для решения определен­ных задач. Полнота (достаточность) информации означает, что она обеспечивает принятие правильного (оптимального) решения. Из этого следует, что данное свойство является относительным: полно­та информации оценивается относительно вполне определенной за­дачи или группы задач. Поэтому, чтобы иметь возможность опреде­лить показатель полноты информации, необходимо для каждой существенно значимой задачи или группы задач иметь перечень тех сведений, которые требуются для их решения. Как неполная, т. е. недостаточная для принятия правильного решения, так и избыточ­ная информации снижают эффективность принимаемых пользова-м решений.

Идентичность — свойство, заключающееся в соответствии со­держательной информации состоянию объекта. Нарушение иден­тичности связано с техническим (по рассогласованию признаков) старением информации, при котором происходит расхождение ре­альных признаков объектов и тех же признаков, отображенных в информации. Обычно закон старения информации представляют в виде рис. 2.4.

На рис. 2.4 t_Q обозначает момент времени генерирования (полу­чения) оцениваемой информации, при этом коэффициент К, харак­теризующий идентичность информации, равен 1. Закон старения информации определяется четырьмя характерными интервалами:

At_t— продолжительностью времени, в течение которого оцени­ваемая информация полностью сохраняет свою идентичность;

At₂ — продолжительностью времени, в течение которого иден­тичность информации падает, но не более чем на одну четверть;

At₃ — продолжительностью времени, в течение которого иден­тичность информации падает наполовину;

Дг₄ — продолжительностью времени, в течение которого иден­тичность информации падает на три четверти.

Кумулятивность информации— свойство содержательной ин­формации, заключенной в массиве небольшого объема, достаточно полно отображать действительность.

Задачу обеспечения кумулятивности информации можно решать без учета и с учетом опыта и квалификации конкретного потребите­ля информации, применяя соответственно формально-технические исоциально-психологические приемы. К числу формально-техни­ческих приемов относится, например, агрегирование — получение сводных показателей различного уровня обобщения или выбор от­дельных показателей из массивов исходных данных. Эти и другие формальные приемы направлены на построение моделей типа «мно­гое в одном», когда действительность отображается с помощью ма­лого числа символов. Такие модели называются гомоморфными, а соответствующее свойство — гомоморфизмом информации. Это фор­мально-техническая составляющая кумулятивности информации.

Гомоморфизм информации — свойство содержательной инфор­мации, связанное с достаточно полным отображением действитель­ности, представленной информационными массивами большого объема, с помощью малого числа информационных единиц (сим­волов) на основе соответствующих моделей агрегирования.

Информационное обеспечение конкретного потребителя может осуществляться с учетом его опыта, квалификации и других свойств, а также с учетом решаемых им задач. Информация, специально ото­бранная для конкретного потребителя, обладает определенным свой­ством — избирательностью. Это социально-психологическая состав­ляющая свойства кумулятивности.

Избирательность информации — свойство содержательной ин­формации, заключающееся в достаточно полном отображении дей­ствительности, представленной информационными массивами -'•:льшого объема, с помощью малого числа информационных еди­ниц (символов) на основе учета квалификации, опыта и других ка-[ честв конкретного потребителя.

Защищенность отражает внешнее качество информации, опре­деляемое совокупностью свойств информации, обеспечиваемых си­стемой контроля и защиты информации (КЗИ) в конкретной инфор­мационной системе. Основными из них являются свойства, заключающиеся в способности не допускать случайного или целена-— явленного искажения или разрушения, раскрытия или модифи­кации информационных массивов, соответственно достоверность, конфиденциальность и сохранность информации. При переносе ин-г-:рмации в другую систему (среду) эти свойства исчезают.

Достоверность информации — свойство информации, характе­ризуемое степенью соответствия (в пределах заданной точности) реальных информационных единиц (символов, знаков, записей, со­общений, информационных массивов и т. д.) их истинному значе­нию и определяемое способностью КЗИ обеспечить отсутствие осибок переработки информации, искажений информационных пассивов, их смыслового значения, замены символов из-за несо­вершенства организации (структуры) процесса переработки, несо­вершенства алгоритмов, ненадежной работы аппаратно-програм­мных средств, ошибок пользователей и т. д.

Требуемый уровень достоверности информации достигается жутем внедрения методов контроля и защиты информации на всех

_:иях ее переработки, повышением надежности комплекса тех­нических и программных средств информационной системы, а так­же административно-организационными мерами (моральным и материальным стимулированием, направленным на снижение чис­ла ошибок, улучшением условий труда персонала и др.).

Критериями оптимальности при этом, как правило, являются:

■ минимизация вероятности искажения единичного массива информации;

■ максимизация достоверности переработки информации как некоторой функции вероятности ошибки;

■ минимизация времени переработки ИМ и материальных за­трат при ограничении на достоверность;

 

• минимизация суммарного среднего времени на обработку, контроль и исправление ИМ;

• минимизация суммарных потерь с учетом затрат на разработ­ку и функционирование структур контроля, исправление ошибок и на потери в информационной системе (ИС) при ис­пользовании недостоверной информации и т. п.

Конфиденциальность информации— свойство информации, позволяющее сохранять предоставленный ей статус. Конфиденци­альность информации характеризуется такими показателями, как доступность, скрытность и имитостойкость информации.

Доступность информации характеризуется степенью разграни­чения действий объектов информационной системы (операторов, задач, устройств, программ, подсистем и др.) и заключается в воз­можности использования ИМ по требованию объектов системы, имеющих соответствующие полномочия (мандаты).

Скрытность информации характеризуется степенью маскиров­ки информации и отражает ее способность противостоять раскры­тию смысла ИМ (семантическая скрытность на основе обратимых преобразований информации), определению структуры хранимо­го ИМ или носителя (сигнала-переносчика) передаваемого ИМ (структурная скрытность на основе необратимых преобразований, использования спецаппаратуры, различных форм сигналов-пере­носчиков, видов модуляции и др.) и установлению факта передачи ИМ по каналам связи (энергетическая скрытность на основе при­менения широкополосных сигналов-переносчиков ИМ, маскиро­вание закрытой информации в открытых ИМ (стенография) и др.).

Имитостойкость информации определяется степенью ее защи­щенности от внедрения ИМ, имитирующих авторизованные (заре­гистрированные) массивы, и заключается в способности не допус­тить навязывания дезинформации и нарушения нормального функ­ционирования информационной системы.

Требуемый уровень конфиденциальности ИМ достигается пу­тем дополнительных преобразований (семантических, криптогра­фических и др.) информации, контроля полномочий программно-технических средств, ресурсов ИС и лиц (операторов, персонала, пользователей и др.), взаимодействующих со средствами автома­тизации и разграничения доступа к ИМ. Критериями оптимально­сти при этом, как правило, являются:

■ минимизация вероятности преодоления («взлома») защиты;
• максимизация ожидаемого безопасного времени до «взлома»

подсистемы защиты;

■ минимизация суммарных затрат (интеллектуальных, финан­
совых, материальных, временных и др.) на разработку и эксплуатацию подсистемы КЗИ при ограничениях на вероят­ность несанкционированного доступа к ресурсам ИС;

■ минимизация суммарных потерь от «взлома» защиты и за­
трат на разработку и эксплуатацию соответствующих элемен­
тов подсистемы КЗИ и т. п.

Сохранность информации — свойство информации, характери-иемое степенью готовности определенных ИМ к целевому при­ведению и определяемое способностью КЗИ обеспечить постоян-юе наличие и своевременное предоставление ИМ, необходимых си автоматизированного решения целевых и функциональных аыач системы, т. е. не допускать разрушения ИМ из-за несовер­шенства носителей, механических повреждений, неправильной экс-щии, износа и старения аппаратных средств, ошибок пер­евала и несанкционированных корректировок, недостатков в хеюграммных средствах и т. д. Основными показателями сохран-■остн являются целостность и готовность информации.

Целостность информации характеризуется степенью аутентично-к (подлинности) ИМ в информационной базе и исходных до-[тментах (сообщениях) и определяется способностью КЗИ обеспе-•:асколько это возможно, физическое наличие информационных ■виц в информационной базе в любой момент времени, т. е. не до­метить случайных искажений и разрушения ИМ из-за дефектов и ■боев аппаратных средств, действия «компьютерных вирусов», оши-Еок оператора (при вводе информации в информационную базу или ирашении к ней), ошибок в программных средствах (операционных ■стемах, СУБД, комплексах прикладных программ и др.).

Готовность информации характеризуется степенью работоспо-»ности ИМ при выполнении целевых и функциональных задач зкгтемы и определяется возможностью КЗИ обеспечить своевре­менное предоставление необходимых неразрушенных ИМ.

Необходимый уровень сохранности ИМ достигается путем вве­дения специальной организации хранения и подготовки, регенера-■га и восстановления ИМ, использования дополнительных ресур-вов для их резервирования, что позволяет значительно уменьшить дние разрушающих факторов на эффективность функциониро­вала ИС в целом. Основными критериями оптимальности при этом являются:

■ максимизация вероятности успешного решения определен­
ной задачи системы при наличии соответствующих ИМ, их
дубликатов, копий;

■ максимизация вероятности восстановления ИМ;

■ минимизация среднего времени решения задачи системы;

■ минимизация среднего времени восстановления ИМ;

■ максимизация вероятности сохранности ИМ за фиксирован­ный интервал времени их эксплуатации;

■ минимизация стоимостных затрат на дополнительные носи­тели информации для размещения резервных ИМ, потерь от разрушения ИМ и т. п.

ВИДЫ И ФОРМЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ В ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ

Все многообразие окружающей нас информации можно класси­фицировать по различным признакам. Так, по признаку «область возникновения» информацию, отражающую процессы, явления неодушевленной природы, называют элементарной или механиче­ской, процессы животного и растительного мира — биологической, человеческого общества — социальной. Информацию, создаваемую и используемую человеком, по общественному назначению можно разбить на три вида: личная, массовая и специальная. Личная ин­формация предназначается для конкретного человека, массовая — для любого желающего ею пользоваться (общественно-политиче­ская, научно-популярная и т. д.), а специальная — для применения узким кругом лиц, занимающихся решением сложных специаль­ных задач в области науки, техники, экономики и т. п. Инфор­мация может быть объективной и субъективной. Объективная ин­формация отражает явления природы и человеческого общества. Субъективная информация создается людьми и отражает их взгляд на объективные явления.

В автоматизированных информационных системах выделяют:

■ структурную (преобразующую) информацию объектов си­стемы, заключенную в структурах системы, ее элементов уп­равления, алгоритмов и программ переработки информации;

■ содержательную (специальную, главным образом осведомля­ющую, измерительную и управляющую, а также научно-тех­ническую, технологическую и др.) информацию, извлекаемую из информационных массивов (сообщений, команд и т. п.) относительно индивидуальной модели предметной области получателя (человека, подсистемы).

Первая связана с качеством информационных процессов в сис­теме, с внутренними технологическими эффектами, затратами на переработку информации. Вторая — как правило, с внешним целе­вым (материальным) эффектом.

Один из возможных вариантов классификации информации в автоматизированных системах представлен на рис. 2.5.

При реализации информационных процессов передача инфор­мации (сообщения) от источника к приемнику может осуществлять­ся с помощью какого-либо материального носителя (бумаги, маг­нитной ленты и т. п.) или физического процесса (звуковых или электромагнитных волн).

В зависимости от типа носителя различают следующие виды информации (рис. 2.6):

■ документальную;

■ акустическую (речевую);

■ телекоммуникационную.

Документальнаяинформация представляется в графическом или буквенно-цифровом виде на бумаге, а также в электронном виде на магнитных и других носителях.

Речевая информациявозникает в ходе ведения разговоров, а так­же при работе систем звукоусиления и звуковоспроизведения. Но­сителем речевой информации являются акустические колебания (механические колебания частиц упругой среды, распространяющие­ся от источника колебаний в окружающее пространство в виде волн различной длины) в диапазоне частот от 200...300 Гц до 4...6 кГц.

Телекоммуникационная информацияциркулирует в техниче­ских средствах обработки и хранения информации, а также в кана­лах связи при ее передаче. Носителем информации при ее обработ­ке техническими средствами и передаче по проводным каналам . связи является электрический ток, а при передаче по радио- и оп­тическому каналам — электромагнитные волны.

Источник информации может вырабатывать непрерывное сооб­щение (сигнал), в этом случае информация называется непрерыв­ной, или дискретное — информация называется дискретной.

Например, сигналы, передаваемые по радио и телевидению, а так­же используемые в магнитной записи, имеют форму непрерывных, быстро изменяющихся во времени зависимостей. Такие сигналы на­зываются непрерывными, или аналоговыми, сигналами. В противо­положность этому в телеграфии и вычислительной технике сигналы имеют импульсную форму и называются дискретными сигналами.

 

Рис. 2.6. Классификация информации в зависимости от типа носителя

Непрерывная и дискретная формы представления информации имеют особое значение при рассмотрении вопросов создания, хра­нения, передачи и обработки информации с помощью средств вы­числительной техники.

В настоящее время во всех вычислительных машинах информа­ция представляется с помощью электрических сигналов. При этом возможны две формы представления численного значения какой-либо переменной, например X:

■ в виде одного сигнала — например, электрического напряже­ния, которое сравнимо с величиной X (аналогично ей). На­пример, при X ^ш 2003 единицам на вход вычислительного ус­тройства можно подать напряжение 2,003 В (масштаб пред­ставления 0,001 В/ед.) или 10,015 В (масштаб представления 0,005 В/ед.);

■ в виде нескольких сигналов — нескольких импульсов напря­жений, которые сравнимы с числом единиц в X, числом де­сятков в X, числом сотен вХит.д. (например, при X, равном 1995 единицам, на вход вычислительного устройства можно подать четыре импульса напряжением 1 В, 9 В и 5 В).

Первая форма представления информации (с помощью сходной величины — аналога) называется аналоговой, или непрерывной. Ве­личины, представленные в такой форме, могут принимать принципи­ально любые значения в определенном диапазоне. Количество значе-

ний. которые может принимать такая величина, бесконечно велико.

Отсюда названия — непрерывная величина и непрерывная информация.Слово «непрерывность» отчетливо выделяет основное свойство таких величин — отсутствие разрывов, промежутков между значени-l которые может принимать данная аналоговая величина. Вторая форма представления информации называется дискрет-[ (с помощью набора напряжений, каждое из которых соответ-езует одной из цифр представляемой величины). Такие величи-■. принимающие не все возможные, а лишь вполне определенные нпения, называются дискретными (прерывистыми). В отличие от ■ярерывной величины количество значений дискретной величи­ем эсегда будет конечным.

Сравнивая непрерывную и дискретную формы представления

формации, нетрудно заметить, что при использовании непрерыв-

i формы для создания вычислительной машины потребуется мень-

вее число устройств (каждая величина представляется одним, а не

восолькими сигналами), но эти устройства будут сложнее (они дол-

; различать значительно большее число состояний сигнала).

Непрерывная форма представления используется в аналоговых

■иислительных машинах (АВМ). Эти машины предназначены в

поеном для решения задач, описываемых системами дифферен-

■шльных уравнений: исследования поведения подвижных объектов,

вделирования процессов и систем, решения задач параметриче-

ё оптимизации и оптимального управления. Устройства для

работки непрерывных сигналов обладают более высоким быстро-

яствием, они могут интегрировать сигнал, выполнять любое его

ршюшональное преобразование и т. п. Однако из-за сложности тех-

иеской реализации устройств выполнения логических операций с

прерывными сигналами, длительного хранения таких сигналов, их

чиого измерения АВМ не могут эффективно решать задачи, свя-

:ъ!е с хранением и обработкой больших объемов информации, ко-

■фые легко решаются при использовании цифровой (дискретной)

рормы представления информации, реализуемой цифровыми элек-

гфовными вычислительными машинами (ЭВМ).

С>.^рольные вопросы и задания =z^^=zz^=z=iz=

. Какие уровни проблем передачи информации Вы знаете? 2- Назовите меры информации синтаксического уровня. Охарактеризуйте сущность понятия энтропии.

4. Как связаны между собой понятия количества информации и энтропии?

5. Что определяет термин «бит»? Приведите примеры сообщений, со­держащих один (два, восемь) бит информации.

6. Запишите формулы Хартли и Шеннона. При каком условии формула Шеннона переходит в формулу Хартли?

7. Что такое абстрактный алфавит?

8. Дайте определение избыточности алфавита источника сообщений.

9. Какие меры информации семантического уровня Вы знаете?

 

10.Что такое тезаурус?

11.Какие меры информации прагматического уровня Вы знаете?

12.Дайте определение дезинформации.

13.Что такое качество информации?

14.Назовите основные составляющие качества информации.

15.Как Вы понимаете защищенность и содержательность информации?

16.Чем достигается требуемый уровень защищенности информации?

17.Назовите основные классификационные признаки информации.

18.Какие виды и формы представления информации в информационных системах Вы знаете?

19.Назовите особенности непрерывной и дискретной форм представле­ния информации.